OSA-Production d'amidon – Amélioration de l'estérification par sonication

L'estérification des amidons avec l'anhydride octényl succinique (OSA) est une technique de modification largement appliquée, particulièrement pertinente dans l'industrie alimentaire pour créer des amidons fonctionnels aux propriétés améliorées. Cependant, la modification traditionnelle de l'amidon par l'OSA dans des conditions alcalines prend du temps et peut limiter l'efficacité et la faisabilité du processus. L'estérification assistée par ultrasons est une approche alternative efficace pour accélérer l'estérification des amidons avec l'OSA. L'application de la sonication permet d'obtenir un degré de substitution (DS) et une efficacité de réaction (ER) supérieurs à ceux de l'estérification alcaline conventionnelle de l'OSA. Cela signifie que la sonication permet d'élargir l'applicabilité des amidons estérifiés dans l'industrie alimentaire. Les résultats des études scientifiques soulignent que l'estérification assistée par sonication est une avancée efficace et respectueuse de l'environnement dans la modification de l'amidon.

Estérification par ultrasons de l'amidon à base d'anhydride succinique d'octényle

Les amidons sont des polysaccharides essentiels dans l'industrie alimentaire, largement utilisés comme épaississants, stabilisants et émulsifiants en raison de leurs propriétés uniques. Cependant, les limites fonctionnelles des amidons natifs nécessitent souvent des modifications pour améliorer leurs performances. L'estérification avec l'anhydride octényl succinique (OSA) est un processus de modification chimique qui introduit des groupes hydrophobes, améliorant ainsi les capacités émulsifiantes et stabilisantes de l'amidon. Malgré son efficacité, l'estérification conventionnelle à l'OSA dans des conditions alcalines est un processus long. L'estérification assistée par ultrasons est une technologie verte qui peut potentiellement augmenter le degré de substitution (DS) et l'efficacité de la réaction (RE) des amidons OSA, ce qui permet de gagner du temps et d'économiser des ressources.

La sonication améliore l'estérification de l'amidon OSA. Effet de l'intensité des ultrasons sur la microstructure de l'amidon de graines d'annatto estérifié par l'OSA.
Étude et images : ©Keven Silva et al. 2022

Étude de cas : Estérification par ultrasons de l'amidon de pomme de terre OSA

Dans l'étude de Martínez et al. (2024), les amidons de pomme de terre natifs des Andes ont été soumis à la fois à l'estérification alcaline OSA conventionnelle et à l'estérification assistée par ultrasons (US-OSA). Ils ont analysé la morphologie des granules, les caractéristiques moléculaires, les propriétés thermiques et les comportements rhéologiques des amidons obtenus afin de déterminer les avantages potentiels de l'estérification assistée par ultrasons.

Échantillons d'amidon et procédure d'estérification

Les amidons de pomme de terre indigènes des Andes ont été estérifiés selon deux méthodes :

• Estérification OSA conventionnelle (OSA) – dans des conditions alcalines avec l'anhydride succinique d'octényle.
• Estérification de l'AOS assistée par ultrasons (US-OSA) – où des ondes ultrasoniques ont été appliquées pendant l'estérification pour améliorer la vitesse et l'efficacité de la réaction.

Degré de substitution (DS) et efficacité de la réaction (RE)

Le processus d'estérification assisté par ultrasons a produit des amidons dont le degré de substitution (DS) et l'efficacité de la réaction (RE) sont nettement plus élevés que ceux obtenus par les méthodes conventionnelles. Cette amélioration est cruciale, car le DS reflète l'étendue de la substitution des groupes hydrophobes sur la molécule d'amidon, ce qui influence directement ses propriétés émulsifiantes.
L'efficacité élevée de la réaction dans les amidons OSA modifiés par ultrasons suggère que les ondes ultrasoniques augmentent les collisions moléculaires et la pénétration des molécules OSA dans les granules d'amidon, potentiellement en raison des effets de cavitation, qui améliorent le transfert de masse et favorisent une estérification plus efficace.

Caractéristiques morphologiques

L'examen microscopique de la morphologie des granules a révélé des différences notables entre les amidons OSA et les amidons OSA modifiés par ultrasons. Alors que les deux amidons modifiés ont conservé l'intégrité des granules, les granules d'OSA modifiés par ultrasons présentaient des surfaces pelées avec quelques pores, ce qui indique que le traitement ultrasonique a eu un léger impact sur la structure de la surface. Cette modification structurelle, bien que légère, suggère une meilleure accessibilité des granules d'amidon pour l'estérification sans compromettre l'intégrité des granules.
En outre, les amidons OSA modifiés par ultrasons présentaient des valeurs de portée plus faibles, ce qui indique une distribution de taille plus étroite et une population de granules plus uniforme. Cette uniformité pourrait profiter à des applications alimentaires spécifiques pour lesquelles une texture et une stabilité précises sont essentielles.

Caractéristiques moléculaires

La spectroscopie IR et l'analyse XRD ont montré des différences structurelles minimes entre les amidons OSA et les amidons OSA modifiés par ultrasons. Les deux types d'amidon ont conservé la structure caractéristique de l'amidon, sans changement détectable dans les schémas de cristallinité, ce qui confirme que le traitement assisté par ultrasons n'a pas perturbé de manière significative la structure native de l'amidon.
Cette stabilité moléculaire est avantageuse, car elle garantit que l'estérification assistée par ultrasons améliore la fonctionnalité sans altérer le cadre moléculaire fondamental de l'amidon, ce qui est essentiel pour maintenir les propriétés texturales souhaitables dans les applications alimentaires.

Propriétés thermiques

Le comportement thermique, en particulier l'enthalpie de gélatinisation, diffère entre les amidons OSA conventionnels et les amidons OSA modifiés par ultrasons. Les amidons OSA modifiés par ultrasons ont présenté une enthalpie de gélatinisation inférieure à celle des amidons OSA conventionnels, ce qui suggère une réduction de l'énergie nécessaire à la gélatinisation. Cette découverte implique que le traitement aux ultrasons peut faciliter l'hydratation et la gélatinisation, ce qui pourrait améliorer l'aptitude de l'amidon modifié à être transformé dans des applications alimentaires qui impliquent un traitement thermique.

Propriétés rhéologiques

Les amidons OSA estérifiés par ultrasons ont démontré des propriétés rhéologiques favorables, avec des profils de viscosité similaires ou légèrement améliorés par rapport aux amidons OSA conventionnels. Ces propriétés peuvent améliorer leurs performances dans les applications nécessitant des émulsions stables ou une viscosité constante dans des conditions de traitement variables.

Étude de cas : Amidon d'OSA estérifié par ultrasons à partir de graines d'annatto

L'étude de Silva et al. (2013) a examiné l'effet de l'intensité de la sonication sur l'estérification de l'amidon de graines d'annatto avec l'anhydride octényl succinique (OSA), dans le but de créer un nouvel émulsifiant pour les systèmes colloïdaux. Des ultrasons ont été appliqués à différentes intensités (0, 5, 10 et 20 W/cm²) pendant une courte durée de traitement (5 minutes). Les principaux résultats sont une augmentation du degré de substitution (DS) avec une intensité de sonication plus élevée, atteignant un degré de substitution maximal de 0,139 ± 0,031 à 20 W/cm². Le traitement par sonication a également augmenté la teneur en amylose de 1,24 à 1,36 fois par rapport aux échantillons sans sonication.
La morphologie des granules a révélé des surfaces lisses et des particules elliptiques bien définies à des intensités de sonication plus élevées, ce qui a réduit l'agrégation des granules. Les diagrammes de diffraction des rayons X n'ont pas montré de différences qualitatives significatives, ce qui indique que les ultrasons n'ont pas modifié la structure cristalline de l'amidon. Les amidons modifiés se sont avérés efficaces pour stabiliser les émulsions d'huile dans l'eau de graines d'annatto, atteignant des diamètres moyens de Sauter plus importants (14 ± 2 μm), mais affichant une plus grande stabilité cinétique au fil du temps par rapport aux amidons commercialement modifiés. Dans l'ensemble, la modification de l'OSA assistée par ultrasons s'est avérée être une approche rapide et efficace pour améliorer les propriétés fonctionnelles de l'amidon de graine d'annatto en tant qu'émulsifiant.

Sonicateurs pour l'estérification de l'amidon OSA

Les sonicateurs industriels Hielscher sont des appareils à ultrasons de haute performance utilisés pour améliorer l'estérification des amidons par l'OSA, un processus qui introduit des groupes hydrophobes d'anhydride succinique d'octényle (OSA) dans les molécules d'amidon. Grâce à la cavitation ultrasonique, ces sonicateurs créent des micro-jets et des forces de cisaillement intenses dans la suspension d'amidon, ce qui améliore la diffusion et l'efficacité de la réaction de l'OSA dans les granules d'amidon. Il en résulte un degré de substitution (DS) plus élevé et une meilleure efficacité de la réaction, souvent obtenus dans des délais nettement plus courts que ceux des méthodes conventionnelles. Les sonicateurs Hielscher sont idéaux pour les applications à l'échelle industrielle, car ils permettent un contrôle précis des paramètres tels que l'intensité, la fréquence et la durée, afin d'optimiser le processus d'estérification et de garantir une qualité constante des produits à base d'amidon modifié, avec des propriétés émulsifiantes et stabilisantes accrues.

Conception, fabrication et conseil – Qualité Made in Germany

Les ultrasons Hielscher sont réputés pour leur qualité et leurs normes de conception les plus élevées. La robustesse et la facilité d'utilisation permettent une intégration aisée de nos ultrasons dans les installations industrielles. Les conditions difficiles et les environnements exigeants sont facilement gérés par les ultrasons Hielscher.

Hielscher Ultrasonics est une entreprise certifiée ISO et met l'accent sur les ultrasons de haute performance, dotés d'une technologie de pointe et d'une grande facilité d'utilisation. Bien entendu, les ultrasons Hielscher sont conformes à la norme CE et répondent aux exigences des normes UL, CSA et RoHs.

Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasons :